用于电气设备芯的具有磁性绝缘体涂层的电工钢叠片堆的制作方法

1.本公开涉及在电机的变压器、电感器、定子和转子的芯中使用的电工钢的涂层。


背景技术：

2.电气设备(诸如电机的变压器、电感器、定子和转子)的芯中使用的电工钢被冲压以制成叠片以形成芯。用于制作芯的电工钢通常在电工钢片的两侧上涂覆有绝缘层，以减少涡流损耗。常规的涂层防止磁通量在相对于电工钢片的平面的法向或垂直方向上通过。常规的绝缘涂层降低堆叠饱和磁通密度。
3.常规的电工钢涂层被分类为有机涂层或无机涂层或它们的组合。无机涂层通常由金属氧化物和磷酸盐组成。有机涂层通常是热塑性或热固性塑料材料。无机涂层和有机涂层是非铁磁性的(不具有高磁化敏感性)和非亚铁磁性的(不是具有与相邻原子的平行但相反排列相关联的弱铁磁性形式的材料)，并且具有相对磁导率μr＝1。涂层提供电绝缘，并且可被视为叠片堆中的气隙。涂层的特征在于在堆叠的法向方向上的低磁导率和低磁通密度。叠片芯基本上仅在堆叠切线方向(叠片表面平面)上通过磁通量。
4.本公开涉及解决上述问题和下文概述的其他问题。


技术实现要素：

5.根据本公开的一个方面，公开了一种用于电气设备的芯，所述芯包括多个电工钢片，所述多个电工钢片具有涂覆到所述电工钢片的两侧的铁磁或亚铁磁涂层。所述电工钢片被布置成堆叠以形成层压堆叠。涂覆到电工钢片的两侧的铁磁或亚铁磁涂层具有在μr＝5与20000之间的相对磁导率。
6.根据本公开的另一方面，公开了一种用于电气设备的芯，所述芯包括多个电工钢片，所述多个电工钢片具有涂覆到所述电工钢片的两侧的铁磁或亚铁磁涂层。所述电工钢片被布置成堆叠以形成层压堆叠。将电绝缘磁渗透涂层涂覆到所述电工钢片的两侧，其中所述涂层的相对电容率是有限的并且大于1。
7.根据本公开的其他方面，公开了一种用于电气设备的芯，所述芯包括多个电工钢片，所述多个电工钢片具有涂覆到所述电工钢片的两侧的铁磁或亚铁磁涂层。所述电工钢片被布置成堆叠以形成层压堆叠。将所述铁磁或亚铁磁涂层涂覆到所述电工钢片的两侧，其中所述涂层包括：
8.mnzn铁氧体；
9.nizn铁氧体；
10.mgmnzn铁氧体；
11.conizn铁氧体；
12.co铁氧体；
13.ni铁氧体；或
14.钇铁石榴石(y3fe5o12)。
15.在本公开的上述方面可包括的本公开的其他替代特征中，涂层可能是电绝缘的并且可具有有限且大于1的介电常数。
16.涂层可包括：mnzn铁氧体；nizn铁氧体；mgmnzn铁氧体；conizn铁氧体；co铁氧体；ni铁氧体；以及钇铁石榴石(y3fe5o12)。
17.涂层的厚度可在0.05微米与5微米之间。
18.所述芯可适于在变压器、电感器、定子或转子中使用。
19.下面将参考附图描述本公开的以上方面和其他方面。
附图说明
20.图1是涂覆有常规涂层的电工钢的随堆叠因子而变化的计算的相对磁导率的曲线图。
21.图2是当涂层是μr＝500的磁性绝缘体和μr＝1的常规涂层时，在堆叠法向和堆叠切向两者上随堆叠因子而变化的计算出的相对磁导率的曲线图。
22.图3是对于常规涂层和磁性绝缘体涂层的具有0.97的堆叠因子的叠片的堆叠法向磁导率的表。
23.图4是将软磁性复合物(smc)的磁属性与具有磁性绝缘体涂层的电工钢和具有常规绝缘体涂层的电工钢的磁属性进行比较的表。
24.图5是示出smc、具有常规涂层的叠片堆和具有磁性绝缘体涂层的磁性叠片的相对饱和磁通密度的图表。
25.图6是示出在smc、具有常规涂层的叠片堆和具有磁性绝缘体涂层的磁性叠片的堆叠切向上的相对磁导率(μr)的图表。
26.图7是示出在smc、具有常规涂层的叠片堆和具有磁性绝缘体涂层的磁性叠片的堆叠法向上的相对磁导率(μr)的图表。
27.图8是smc的各向同性3d磁通路径的图解说明。
28.图9是具有常规绝缘体涂层的叠片堆的2d磁通路径特性的图解说明。
29.图10是具有磁性绝缘体涂层的叠片堆的3d磁通路径特性的图解说明。
具体实施方式
30.参考附图公开了示出的实施例。然而，应理解，所公开的实施例意在仅是可以不同形式和替代形式来体现的示例。附图不一定按比例绘制；并且一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是作为教导本领域技术人员如何实践所公开的概念的代表性基础。
31.电工钢片被冲压并且然后被堆叠在一起以制成叠片以形成电机的变压器、电感器的芯以及定子和转子的芯。电工钢可包括具有对于电机构造而言有利的磁属性的一系列铁合金。适合于电工钢的铁合金可包括一定百分率的硅。电工钢片具有各种厚度，通常在0.65mm至0.1mm的范围内。
32.电工钢通常涂覆在两个表面上，以增加叠片之间的电阻并减少涡流损耗。涂层还提供耐腐蚀性或防锈性，并在冲压期间充当润滑剂。astm a9760-3将用于电工钢的不同类型的涂层从c0分类到c6。所有涂层材料都是非铁磁性和非亚铁磁性的，具有相对磁导率μr
＝1。换句话说，涂层可被视为堆叠中的气隙，这导致沿着堆叠的法向方向的非常低的磁导率，并且具有低饱和磁通密度。
33.图1示出了涂覆有常规涂层的电工钢的在堆叠法向和堆叠切向两者上随堆叠因子(定义为总叠片厚度/总堆叠厚度)而变化的计算的相对磁导率。图1中的线10示出了随堆叠因子而变化的堆叠切向磁导率。线12示出了随堆叠因子而变化的堆叠法向相对磁导率。堆叠法向磁导率随着堆叠因子的减小而迅速下降。因此，叠片芯基本上仅在一个方向上通过磁通量，所述一个方向沿着堆叠切向或叠片表面平面。
34.图2示出了涂覆有磁性绝缘体涂层的电工钢的随如针对线14上的磁性绝缘体涂层建模的堆叠因子而变化的计算的相对堆叠切向磁导率。线16示出了涂覆有磁性绝缘体涂层的电工钢的随如针对磁性绝缘体涂层建模的堆叠因子而变化的计算的相对堆叠法向磁导率。
35.磁性绝缘体涂层材料设置在电工钢片的表面上。磁性绝缘体涂层材料是电绝缘的，同时拥有磁性有序性，诸如亚铁磁性有序性。此类磁性绝缘体的几个示例是mnzn铁氧体、nizn铁氧体、mgmnzn铁氧体、conizn铁氧体、ni铁氧体、co铁氧体和钇铁石榴石(y3fe5o12)等。这些材料具有良好的磁属性，相对磁导率(μr)在10至20000的范围内并且具有高电阻率。
36.图2示出当涂层是μr＝500的磁性绝缘体和μr＝1的常规涂层时，在堆叠法向和堆叠切向两者上随堆叠因子而变化的计算出的相对磁导率。对于堆叠法向磁导率，具有磁性绝缘体涂覆线16的堆叠比具有常规涂覆线12的堆叠下降得慢得多。
37.参看图3，对于0.97的堆叠因子，对于常规涂层和磁性绝缘体涂层，堆叠法向磁导率分别为33与6369。具有磁性绝缘体涂层的叠片可在任何方向上传递磁通量。对于堆叠切向磁导率，常规涂覆线10与磁性绝缘体涂覆线14之间没有显著的差异(例如，对于0.97的堆叠因子，为9700与9715)。对于具有磁性绝缘体涂层的堆叠，堆叠法向与堆叠切向之间的磁导率差值指示磁导率的弱各向异性。磁导率各向异性随着堆叠因子的减小而增加，如图2和图3中所示。
38.图4将软磁性复合物(smc)的磁属性与具有磁性绝缘体涂层的电工钢的磁属性和具有常规绝缘体涂层的电工钢的磁属性进行比较。材料smc和具有磁性绝缘体涂层的电工钢两者允许3d磁通路径，但是具有磁性绝缘体涂层的电工钢具有比smc高得多的磁导率(数千与数百)，这对于马达芯是期望的。具有磁性绝缘体涂层的电工钢示出弱的磁导率各向异性，如图2和图3中所示，而smc的磁导率是各向同性的。而且，由于磁性绝缘体涂层(例如，铁氧体)引起的额外磁化改善了堆叠的饱和磁通密度，并且因此对于相同的涂层厚度，有效堆叠因子增加。
39.具有常规涂层的电工钢具有高磁导率并且是高度各向异性的。常规涂层具有高饱和磁通密度，但小于磁性绝缘体涂层的饱和磁通密度。具有常规涂层的电工钢没有3d磁通路径，因为它是高度各向异性的。
40.具有磁性绝缘体涂层的电工钢实现了具有高自由度的新型磁电路设计。具有磁性绝缘体涂层的电工钢在高扭矩密度方面具有益处，尤其是对于低速高扭矩应用。具有磁性绝缘体涂层的新电工钢简化了轴向和横向磁通电机的制造过程。
41.参看图5，示出了smc、具有常规涂层的叠片堆和具有磁性绝缘体涂层的磁性叠片
的相对饱和磁通密度。
42.参看图6，示出了在smc、具有常规涂层的叠片堆和具有磁性绝缘体涂层的磁性叠片的堆叠切向上的相对磁导率(μr)。
43.参看图7，示出了在smc、具有常规涂层的叠片堆和具有磁性绝缘体涂层的磁性叠片的堆叠法向上的相对磁导率(μr)。
44.参看图8，示意性地示出了smc的各向同性3d磁通路径。
45.参看图9，示意性地示出了具有常规绝缘体涂层的叠片堆的2d磁通路径特性。
46.参看图10，示意性地示出了具有磁性绝缘体涂层的叠片堆的3d磁通路径特性。
47.在电工钢片的一个或两个表面上涂覆磁性绝缘体层可用常规涂覆或印刷过程(诸如，浸涂或旋涂过程)来执行。涂层的厚度可薄至数十纳米至几微米。涂层的厚度可在0.05微米与5微米之间的范围内。
48.在浸涂过程中，在将电工钢片浸入含有金属-有机络合物的粘性涂层溶液中之后，然后将电工钢片从涂层溶液中取出并进行热处理。在旋涂过程中，通过将含有金属的稀释溶液旋涂在电工钢片或冲压叠片上并随后加热电工钢片或冲压叠片来形成磁性绝缘体涂层。也可使用其他涂覆方法，诸如化学气相沉积、电泳沉积(epd)。
49.本公开中讨论的铁氧体型磁性绝缘体仅是示例，并且其他类型的磁性绝缘体也可用作电工钢的涂层材料。
50.上述实施例是未描述本公开的所有可能形式的先知示例。可组合示出的实施例的特征以形成所公开概念的其他实施例。本说明书中使用的词语是描述性的而非限制性的。以下权利要求的范围比具体公开的实施例更宽，并且还包括示出的实施例的修改形式。
51.根据本发明，提供了一种用于电气设备的芯，其具有：多个电工钢片，所述多个电工钢片被布置成堆叠以形成层压堆叠；以及涂覆到电工钢片的两侧的铁磁或亚铁磁涂层，其中涂层的相对磁导率在μr＝5与20000之间。
52.根据实施例，涂层是电绝缘的并且具有有限的且大于1的介电常数。
53.根据实施例，涂层由以下组成：mnzn铁氧体；nizn铁氧体；mgmnzn铁氧体；conizn铁氧体；co铁氧体；ni铁氧体；或钇铁石榴石(y3fe5o12)。
54.根据实施例，涂层的厚度在0.05微米与5微米之间。
55.根据实施例，所述芯适于在变压器中使用。
56.根据实施例，所述芯适于在电感器中使用。
57.根据实施例，所述芯适于在定子中使用。
58.根据实施例，所述芯适于在转子中使用。
59.根据本发明，提供了一种用于电气设备的芯，其具有：多个电工钢片，所述多个电工钢片被布置成堆叠以形成层压堆叠；以及涂覆到电工钢片的两侧的电绝缘磁渗透涂层，其中涂层的相对电容率是有限的且大于1，并且涂层的相对磁导率在μr＝5与20000之间。
60.根据实施例，涂层基本上由以下组成：mnzn铁氧体；nizn铁氧体；mgmnzn铁氧体；conizn铁氧体；co铁氧体；ni铁氧体；或钇铁石榴石(y3fe5o12)。
61.根据实施例，涂层的厚度在0.05微米与5微米之间。
62.根据实施例，所述芯适于在变压器中使用。
63.根据实施例，所述芯适于在电感器中使用。
64.根据实施例，所述芯适于在定子中使用。
65.根据实施例，所述芯适于在转子中使用。
66.根据本发明，提供了一种用于电气设备的芯，其具有：多个电工钢片，所述多个电工钢片被布置成堆叠以形成层压堆叠；以及涂覆到电工钢片的两侧的铁磁或亚铁磁涂层，其中涂层包括：mnzn铁氧体；nizn铁氧体；mgmnzn铁氧体；conizn铁氧体；co铁氧体；ni铁氧体；或钇铁石榴石(y3fe5o12)。
67.根据实施例，涂层的厚度在0.05微米与5微米之间。
68.根据实施例，涂层的相对磁导率在μr＝5与20000之间。

技术特征：
1.一种用于电气设备的芯，其包括：多个电工钢片，所述多个电工钢片被布置成堆叠以形成层压堆叠；以及铁磁或亚铁磁涂层，所述铁磁或亚铁磁涂层涂覆到所述电工钢片的两侧，其中所述涂层的相对磁导率在μ
r
＝5与20000之间。2.如权利要求1所述的芯，其中所述涂层是电绝缘的，并且具有有限的且大于1的介电常数。3.如权利要求1所述的芯，其中所述涂层由以下组成：mnzn铁氧体；nizn铁氧体；mgmnzn铁氧体；conizn铁氧体；co铁氧体；ni铁氧体；或钇铁石榴石(y3fe5o12)。4.如权利要求1所述的芯，其中所述涂层的厚度在0.05微米与5微米之间。5.如权利要求1所述的芯，其中所述芯适于在变压器中使用。6.如权利要求1所述的芯，其中所述芯适于在电感器中使用。7.如权利要求1所述的芯，其中所述芯适于在定子中使用。8.如权利要求1所述的芯，其中所述芯适于在转子中使用。9.一种用于电气设备的芯，其包括：多个电工钢片，所述多个电工钢片被布置成堆叠以形成层压堆叠；以及电绝缘磁渗透涂层，所述电绝缘磁渗透涂层涂覆到所述电工钢片的两侧，其中所述涂层的相对电容率是有限的且大于1，并且所述涂层的所述相对磁导率在μ
r
＝5与20000之间。10.一种用于电气设备的芯，其包括：多个电工钢片，所述多个电工钢片被布置成堆叠以形成层压堆叠；以及铁磁或亚铁磁涂层，所述铁磁或亚铁磁涂层涂覆到所述电工钢片的两侧，其中所述涂层包括：mnzn铁氧体；nizn铁氧体；mgmnzn铁氧体；conizn铁氧体；co铁氧体；ni铁氧体；或钇铁石榴石(y3fe5o12)。11.如权利要求10所述的芯，其中所述涂层的厚度在0.05微米与5微米之间。12.如权利要求10所述的芯，其中所述涂层的相对磁导率在μ
r
＝5与20000之间。

技术总结
本公开提供了“用于电气设备芯的具有磁性绝缘体涂层的电工钢叠片堆”。一种用于电气设备的芯包括多个电工钢片，所述多个电工钢片具有涂覆到所述电工钢片的两侧的铁磁或亚铁磁涂层。所述电工钢片被布置成堆叠以形成层压堆叠。所述铁磁或亚铁磁涂层涂覆到所述电工钢片的两侧。所述涂层可包括：MnZn铁氧体、NiZn铁氧体、MgMnZn铁氧体、CoNiZn铁氧体、Co铁氧体、Ni铁氧体、钇铁石榴石(Y3Fe5O12)或其他铁磁或亚铁磁涂层材料。铁磁涂层材料。铁磁涂层材料。


技术研发人员：朱乐易 弗朗哥
受保护的技术使用者：福特全球技术公司
技术研发日：2023.01.16
技术公布日：2023/7/26